Dispersione ultrasonica del grafene

  • Per incorporare il grafene nei compositi, il grafene deve essere disperso/esfogliato come singoli nanosheet uniformemente nella formulazione. Più alto è il grado di deagglomerazione, migliori sono le straordinarie proprietà del materiale.
  • La dispersione ad ultrasuoni consente una superiore distribuzione delle particelle e stabilità di dispersione. – anche quando si formulano ad alte concentrazioni e viscosità.
  • L'elaborazione ad ultrasuoni del grafene fornisce eccezionali qualità di dispersione ed eccelle di gran lunga i metodi di miscelazione convenzionali.

Dispersione ultrasonica del grafene

Per conferire ai compositi le eccezionali caratteristiche del materiale grafene, come la resistenza, il grafene deve essere disperso in una matrice o applicato come rivestimento a film sottile su un substrato. L'agglomerazione, la sedimentazione e la dispersione in una matrice (o distribuzione di particelle sul substrato, rispettivamente) sono fattori importanti che influenzano le proprietà del materiale risultante.
A causa della sua natura idrofobica, la preparazione di una dispersione grafene stabile e altamente concentrata senza tensioattivi o disperdenti è un compito impegnativo. Per superare le forze di van der Waals, forti forze di taglio generate da Cavitazione ad ultrasuoni sono il metodo più sofisticato per preparare dispersioni stabili.
Grafene ad alta conducibilità elettrica (712 S-m-1), la buona dispersione e l'alta concentrazione possono essere facilmente preparati utilizzando un dispersore ad ultrasuoni, come ad esempio UIP2000hdT o UIP4000. La sonicazione permette di preparare una dispersione stabile di grafene a bassa temperatura di processo di circa 65°C.

Fogli di nanosheet di ossido di grafene esfoliato ad ultrasuoni (Oh et al. 2010)

Immagine al SEM di nanosheet di nanosheet di grafene a dispersione ultrasonica

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Poiché i parametri di processo di sonicazione possono essere controllati con precisione, la tecnologia di dispersione ultrasonica evita danni alle strutture chimiche e cristalline del grafene. – con conseguenti scaglie di grafene incontaminate e prive di difetti.
I potenti sistemi ad ultrasuoni di Hielscher sono in grado di elaborare grafene e grafite in grandi volumi, ad esempio per l'esfoliazione in fase liquida e la dispersione di grafene. L'esatto controllo dei parametri di processo consente di scalare senza soluzione di continuità i processi ad ultrasuoni dal banco di lavoro alla produzione commerciale completa.
Il grafene esfoliato ad ultrasuoni a pochi strati con circa 3-4 strati e una dimensione di circa 1μm può essere (ri)disperso a concentrazioni di almeno 63 mg/mL.

Vantaggi:

    • grafene di alta qualità

Esfoliazione del grafene con dispersore ad ultrasuoni UP400St

  • alto rendimento
  • dispersione uniforme
  • alta concentrazione
  • alta viscosità
  • processo rapido
  • Basso costo
  • rendimento elevato
  • altamente efficiente
  • Rispettoso dell'ambiente
Sistema di dispersione ad ultrasuoni ad alta potenza (7x UIP1000hdT) per la lavorazione del grafene su scala industriale. (Clicca per ingrandire!)

Reattore ad ultrasuoni da 7kW per dispersioni di grafene

Sistemi di dispersione a ultrasuoni

Hielscher Ultrasonics offre sistemi a ultrasuoni ad alta potenza per l'esfoliazione e la dispersione di grafene e grafite in grafene mono-, bi- e pochi strati. Processori a ultrasuoni affidabili e reattori sofisticati forniscono la potenza richiesta, le condizioni di processo e un controllo preciso, in modo che i risultati del processo a ultrasuoni possano essere adattati esattamente agli obiettivi di processo desiderati.
Uno dei parametri di processo più importanti è l'ampiezza ultrasonica (lo spostamento vibrazionale al clacson ad ultrasuoni). Hielscher's sistemi industriali ad ultrasuoni sono costruiti per fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente gestite ininterrottamente in funzionamento 24/7. Per ampiezze ancora maggiori, Hielscher offre sonde a ultrasuoni personalizzate. Tutti i nostri processori ad ultrasuoni possono essere esattamente adattati alle condizioni di processo richieste e facilmente monitorati tramite il software integrato. Questo garantisce la massima affidabilità, qualità costante e risultati riproducibili. La robustezza delle apparecchiature ad ultrasuoni Hielscher consente un funzionamento 24/7 in ambienti gravosi e impegnativi. Questo fa della sonicazione la tecnologia di produzione preferita per la preparazione su larga scala di nanosheet di grafene mono- e poco stratificati.
Offrendo una vasta gamma di prodotti di ultrasuoni e accessori (come sonotrodi e reattori di varie dimensioni e geometrie), è possibile scegliere le condizioni e i fattori di reazione più adatti (ad es. reagenti, energia ultrasonica immessa per volume, pressione, temperatura, portata ecc.) per ottenere la massima qualità. Poiché i nostri reattori ad ultrasuoni possono essere pressurizzati fino a diverse centinaia di barg, la sonicazione di paste altamente viscose fino a 250.000 centipoise non è un problema per i sistemi ad ultrasuoni di Hielscher.
Grazie a questi fattori, la delaminazione/esfoliazione ad ultrasuoni e la dispersione eccelle nelle tecniche di macinazione e fresatura convenzionali.

Ultrasuoni Hielscher

  • Ultrasuoni ad Alta Potenza
  • elevate forze di taglio
  • alta pressione applicabile
  • controllo preciso
  • scalabilità senza soluzione di continuità (lineare)
  • a batch e a flusso continuo
  • risultati riproducibili
  • attendibilità
  • robustezza
  • alta efficienza energetica

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Particolarità / Cose da sapere

Grafene

Il grafene è uno strato di carbonio dello spessore di un atomo, che può essere descritto come una struttura di grafene a strato singolo o 2D (grafene a strato singolo = SLG). Il grafene ha una superficie specifica straordinariamente ampia e proprietà meccaniche superiori (modulo di Young di 1 TPa e resistenza intrinseca di 130 GPa), offre una grande conducibilità elettronica e termica, mobilità del vettore di carica, trasparenza, ed è impermeabile ai gas. A causa di queste caratteristiche del materiale, il grafene viene utilizzato come additivo di rinforzo per dare ai compositi la sua resistenza, conducibilità, ecc. Per combinare le caratteristiche del grafene con altri materiali, il grafene deve essere disperso nel composto o applicato come rivestimento a film sottile su un substrato.
I solventi comuni, che sono spesso utilizzati come fase liquida per disperdere nanosheet di grafene, includono dimetilsolfossido (DMSO), N,N-dimetilformammide (DMF), N-metil-2-pirrolidone (NMP), tetrametilurea (TMU, tetraidrofurano (THF), carbonatoacetone di propilene (PC), etanolo e formammide.

Perché i compositi a base di Grafene-Based Composites?

Il grafene è con uno spessore di un atomo il più sottile, con un peso di circa 0,77 mg per 1m.2 il più leggero, con una rigidezza a trazione di 150.000.000.000.000 psi (100-300 volte più forte dell'acciaio) e una resistenza a trazione di 130.000.000.000.000.000 Pascal, il materiale più forte conosciuto. Inoltre, il grafene è il miglior conduttore termico (a temperatura ambiente con (4,84±0,44) × 103 a (5,30±0,48) × 103 W-m-11·K-1) e il miglior conduttore elettrico (mobilità degli elettroni superiore a 15.000 cm.2-·V-1-·s-1). Un'altra importante caratteristica del grafene è la sua proprietà ottica con un assorbimento di luce a πα≈2,3% della luce bianca e il suo aspetto trasparente.
Incorporando il grafene nelle matrici, queste eccezionali caratteristiche del materiale possono essere trasferite al composito risultante, che offre funzionalità uniche. Questi compositi rinforzati con grafene offrono nuove possibilità per lo sviluppo di materiali e applicazioni industriali. Grazie alle sue caratteristiche, i compositi grafene e grafene sono già ampiamente diffusi nella produzione di batterie ad alte prestazioni, supercondensatori, inchiostri conduttivi, rivestimenti, sistemi fotovoltaici e dispositivi elettronici.
I potenti processori ad ultrasuoni di Hielscher forniscono le forze di taglio elevate richieste per superare le forze di van der Waals, al fine di distribuire uniformemente i nanosheet di grafene nelle matrici composite. Disperditori ad ultrasuoni come il UIP2000hdT o UIP16000 sono utilizzati per produrre nanocompositi rinforzati con ossido di grafene e grafene rinforzati con nanocompositi.